I ricercatori della Brown University hanno dimostrato sperimentalmente che un concorrente del grafene a base di boro è una possibilità molto reale.

Il grafene è stato annunciato come un materiale meraviglioso. Costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, il grafene è più forte dell'acciaio e conduce l'elettricità meglio del rame. Dalla scoperta del grafene, gli scienziati si sono chiesti se il boro, vicino del carbonio sulla tavola periodica, potrebbero anche essere organizzati in fogli di un singolo atomo. Il lavoro teorico ha suggerito che era possibile, ma gli atomi dovrebbero essere in una disposizione molto particolare.

Il boro ha un elettrone in meno del carbonio e di conseguenza non può formare il reticolo a nido d'ape che costituisce il grafene. Affinché il boro formi uno strato di un singolo atomo, i teorici suggerirono che gli atomi dovessero essere disposti in un reticolo triangolare con spazi vuoti esagonali - buchi - nel reticolo.

"Questa era la previsione, " ha detto Lai-Sheng Wang, professore di chimica alla Brown, "ma nessuno aveva fatto nulla per dimostrare che era così."

Wang e il suo gruppo di ricerca, che ha studiato per molti anni la chimica del boro, hanno ora prodotto la prima prova sperimentale che tale struttura è possibile. In un articolo pubblicato il 20 gennaio in Comunicazioni sulla natura , Wang e il suo team hanno dimostrato che un cluster composto da 36 atomi di boro (B36) forma un simmetrico, disco spesso un atomo con un foro esagonale perfetto nel mezzo.

"È bellissimo, "Ha detto Wang. "Ha un'esatta simmetria esagonale con il foro esagonale che stavamo cercando. Il buco ha un significato reale qui. Suggerisce che questo calcolo teorico su una struttura planare di boro potrebbe essere corretto".

Può essere possibile, Wang ha detto, utilizzare la base B36 per formare un foglio di boro planare esteso. In altre parole, B36 potrebbe essere l'embrione di un nuovo nanomateriale che Wang e il suo team hanno soprannominato "borofene".

"Abbiamo ancora una sola unità, " disse Wang. "Non abbiamo ancora fatto il borofene, ma questo lavoro suggerisce che questa struttura è più di un semplice calcolo."

Il lavoro ha richiesto una combinazione di esperimenti di laboratorio e modellazione computazionale. Nel laboratorio, Wang e il suo studente, Wei-Li Li, sondare le proprietà dei cluster di boro utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia fotoelettronica. Iniziano colpendo pezzi di boro sfuso con un laser per creare vapore di atomi di boro. Un getto di elio congela quindi il vapore in minuscoli grappoli di atomi. Quegli ammassi vengono poi fulminati con un secondo laser, che fa uscire un elettrone dall'ammasso e lo fa volare lungo un lungo tubo che Wang chiama la sua "pista di elettroni". La velocità con cui l'elettrone vola lungo la pista viene utilizzata per determinare lo spettro di energia di legame degli elettroni dell'ammasso, una lettura di quanto strettamente l'ammasso trattiene i suoi elettroni. Quello spettro funge da impronta digitale della struttura del cluster.

Gli esperimenti di Wang hanno mostrato che l'ammasso B36 era qualcosa di speciale. Aveva un'energia di legame degli elettroni estremamente bassa rispetto ad altri cluster di boro. La forma dello spettro di legame dell'ammasso suggeriva anche che si trattasse di una struttura simmetrica.

Per scoprire esattamente come potrebbe essere quella struttura, Wang si rivolse a Zachary Piazza, uno dei suoi studenti laureati specializzato in chimica computazionale. Piazza ha iniziato a modellare potenziali strutture per B36 su un supercomputer, indagando su più di 3, 000 possibili disposizioni di quei 36 atomi. Tra le disposizioni che sarebbero state stabili c'era il disco planare con il foro esagonale.

"Appena ho visto quel foro esagonale, "Wang ha detto, "Ho detto a Zach, 'Dobbiamo indagare su questo.'"

Per assicurarsi di aver veramente trovato la disposizione più stabile dei 36 atomi di boro, hanno chiesto l'aiuto di Jun Li, che è professore di chimica alla Tsinghua University di Pechino ed ex ricercatore senior presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a Richland, Wash. Li, un collaboratore di lunga data di Wang, ha sviluppato un nuovo metodo per trovare strutture stabili di cluster, che sarebbe adatto per il lavoro a portata di mano. Piazza ha trascorso l'estate del 2013 al PNNL lavorando con Li e i suoi studenti al progetto B36. Hanno usato il supercomputer del PNNL per esaminare più possibili disposizioni dei 36 atomi di boro e calcolare i loro spettri di legame degli elettroni. Hanno scoperto che il disco planare con un foro esagonale corrispondeva molto da vicino allo spettro misurato negli esperimenti di laboratorio, indicando che la struttura Piazza trovata inizialmente sul computer era effettivamente la struttura di B36.

Tale struttura soddisfa anche i requisiti teorici per la produzione di borofene, che è una prospettiva estremamente interessante, ha detto Wang. Il legame boro-boro è molto forte, forte quasi quanto il legame carbonio-carbonio. Quindi il borofene dovrebbe essere molto forte. Le sue proprietà elettriche potrebbero essere ancora più interessanti. Si prevede che il borofene sia completamente metallico, mentre il grafene è un semimetallo. Ciò significa che il borofene potrebbe finire per essere un conduttore migliore del grafene.

"Questo è, "Wang avverte, "se qualcuno può farcela".

Alla luce di questo lavoro, quella prospettiva sembra molto più probabile.